實現(xiàn)白光LED原理、方案與光效和光電
1993年日本日亞化學(xué)公司在藍(lán)色GaNLED技術(shù)上突破并很快產(chǎn)業(yè)化,于1996年實現(xiàn)白光LED,并申請多項專利保護。
1重要意義:用途廣,特別是用作新光源——第四代照明光源,未來將產(chǎn)生巨大節(jié)能效果。
白光LED及組合成光源具有許多優(yōu)點:固體化,體積小、壽命長(萬小時)、抗震,不易破損,啟動響應(yīng)時間快(納秒)耗電量小,無公害(無汞)等。各國政府和公司賦予極大熱忱和高度重視,這是因為白光LED有龐大照明市場和顯著節(jié)能效果的前景。為此,美國、日本、歐洲注入大量人力和財力,設(shè)立專門的機構(gòu)和計劃推動白光lED研發(fā)。2001年7月美國第一項主張“新一代照明首創(chuàng)”(NGLl)提供基金的立法議案,作為參議院能源法案S1766,Sec.1213的一部分提交給國會審議。日本政府也制定“21世紀(jì)化合物半導(dǎo)體”。世界著名的照明公司和半導(dǎo)體材料器件公司紛紛合作,重組集團,發(fā)展白光IED。
2實現(xiàn)白光LED原理和方案
簡單地講有三種原理可實現(xiàn)白光LED:
(1)藍(lán)色LED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉有機結(jié)合組成白光LED。一部分藍(lán)光被熒光粉吸收,激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光。發(fā)射的黃光和剩余的藍(lán)光混合,調(diào)控它們的強度比即可得到各種色溫的白光;
(2)將紅、綠、藍(lán)三基色LED組成一個象素(pixEL)也可得到白光;
(3)像三基色節(jié)能燈那樣,發(fā)紫外光LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍(lán)三基色熒光體有機結(jié)合組成白光LED。
英光體的選用可以是高效的無機或有機熒光體或兩者結(jié)合。當(dāng)前是以由藍(lán)色I(xiàn)nGaNLED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的發(fā)黃光的鈰激活的稀土石榴石熒光粉有機結(jié)合實現(xiàn)發(fā)白光LED,這是目前的主導(dǎo)方案,在國內(nèi)外已產(chǎn)業(yè)化。圖3表示當(dāng)前典型的白光LED的發(fā)射光譜,它是由InGaN芯片發(fā)藍(lán)光光譜及YAG:Ce體系熒光體發(fā)黃光光譜所組成。
3白光LED的光效和光電
從理論和技術(shù)發(fā)展分析,白光LED的光效可以達(dá)到2001m/w以上,白光LED短短5年中光效提高6倍,圖表表示白光LED從1998-2002年光效提高和預(yù)期發(fā)展。
目前人們將白光LED劃分為2005年和2010年兩個階段目標(biāo)。2005年后開始替代白熾燈,進入商業(yè)照明;2010年進入家庭照明。達(dá)到預(yù)定目標(biāo)白光LED有兩個問題必須克服。
● 成本價格必須降到US$0.01/lm
● 必須提高光效和光通。
答案是肯定的。人們正對藍(lán)色、紫外LED芯片,LED封裝(包括熒光粉涂敷工藝)及熒光粉進行改進。對芯片來說:
(1)發(fā)展大尺寸芯片,例如最近Cree公司推出0.15W的藍(lán)光的900900um大尺寸芯片;
(2)制造大功率芯片,芯片為5W的已推向市場,這比2000年戰(zhàn)略研討會的預(yù)計大大提前。
(3)芯片倒置新技術(shù)使外量子效率提高。
(4)積極研制波長更短的紫外LED,這樣,比目前使用的YAG:Ce熒光粉效率高許多的三基色熒光粉很多,使白光LED達(dá)到新水平。最近美國南加洲大學(xué)采用四元AlInGaN多層量子阱(MQW)技術(shù)研制出發(fā)射峰可從305nm到340nm的紫外LED。這是目前最短的UVLED。圖3表示這種UVLED芯片結(jié)構(gòu)。對20μm×1000μm這種條狀器件而言,發(fā)射峰為340nm時的輸出功率高達(dá)1mw。
若實現(xiàn)第一個目標(biāo),2005-2007年開始部分取代白熾燈,對美國來說,可節(jié)約10GW電能;實現(xiàn)第2個目標(biāo)進入家庭照明,在2010-2015年白光LED的光效達(dá)到150-200lm/w,美國可節(jié)能約25GW電能。當(dāng)然,我們必須看到,實現(xiàn)1001m/w普及照明,還存在相當(dāng)大的困難。對我國采說,遇著難得的機遇,政府積極支持,列入新綠色照明和節(jié)能規(guī)劃中。但又面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)和知識產(chǎn)權(quán)的壁壘。迄今高效藍(lán)色和藍(lán)紫色LED芯片還不能工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),但我國稀土熒光粉有其優(yōu)勢。